CN103114335B - 生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法，该方法包括：形成一个包括晶体生长区域和原位退火区域的整体温度场；将一个装有富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料的坩埚从所述晶体生长区域中通过，在该过程中，坩埚内的富碲材料熔化形成熔区，碲化镉或碲锌镉多晶材料逐渐溶解到所述熔区中，然后冷却析出碲化镉或碲锌镉单晶体；以及，将所述坩埚从所述原位退火区域中通过，在该过程中对所述晶体生长区域中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体进行退火，以降低所述单晶体中的碲夹杂含量。

Description

生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种生产碲化镉或碲锌镉单晶体的装置和方法，具体地，涉及一种以碲化镉或碲锌镉多晶料为原料，用移动加热器法生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法。

背景技术

移动加热器法是一种可在相对较低的温度下生长碲化镉或碲锌镉单晶的方法，但由于移动加热器法所长成的单晶体大都性能比较差，需靠后续的退火处理来提高性能，这就需要花费很多额外的时间，而且由于大面积材料内扩散能力的限制，后续的退火处理容易造成晶体的性能发生梯度变化。此外，移动加热器法长成的晶体内往往含有大量的碲夹杂，这些低夹杂也会降低晶体的性能。

因此，有必要开发一种新的方法来生产性能更好的碲化镉或碲锌镉单晶体。

发明内容

本发明实施例中提供了一种生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法，该方法包括：形成一个包括晶体生长区域和原位退火区域的整体温度场；将一个装有富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料的坩埚从所述晶体生长区域中通过，在该过程中，坩埚内的富碲材料熔化形成熔区，碲化镉或碲锌镉多晶材料逐渐溶解到所述熔区中，然后冷却析出碲化镉或碲锌镉单晶体；以及，将所述坩埚从所述原位退火区域中通过，在该过程中对所述晶体生长区域中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体进行退火，以降低所述单晶体中的碲夹杂含量。

附图说明

图1显示了一个实施例中一个包括晶体生长区域和原位退火区域的整体温度场的示意图、以及未进入所述温度场时的一个坩埚的示意图。

图2显示了一个实施例中当坩埚经过所述整体温度场的晶体生长区域时的一个示例性的中间状态。

图3显示了一个实施例中当坩埚经过所述整体温度场的原位退火区域时的一个示例性的中间状态。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。至少在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所给出的数值范围可以合并或相互交换，除非文中有其它语言限定，这些范围应包括范围内所含的子范围。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001，0.001，0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述只是想要表达的特别示例，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

如图1所示，本发明实施例提供了一个可让装载有富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料的坩埚202从中通过以获得碲化镉或碲锌镉单晶体的整体温度场100。此处所述的整体温度场是指整个场内温度高于室温的具有连续温度分布曲线的一个温度场。所述整体温度场100的温度分布曲线具有两个峰值的(该温度分布曲线如图1所示)。在坩埚202将要通过的方向101上，所述整体温度场100内的温度先以10至100℃/厘米，或更适宜的，以20至60℃/厘米的速度逐渐上升至第一温度峰值102；然后以10至100℃/厘米，或更适宜的，以20至60℃/厘米的速度逐渐下降；然后再以5至100℃/厘米，或更适宜的，以20至60℃/厘米的速度逐渐上升至第二温度峰值104；然后以5至100℃/厘米，或更适宜的，以20至60℃/厘米的速度逐渐下降。在一个实施例中，所述第一温度峰值高于碲的熔点但低于碲化镉或碲锌镉的熔点，所述第二温度峰值高于所述第一温度峰值但低于所述碲化镉或碲锌镉的熔点，其中，在一个具体实施例中，碲化镉的熔点为1092℃，碲锌镉的熔点在1092℃至1295℃之间，具体数值取决于碲锌镉中的锌含量。

所述温度分布曲线的第一和第二温度峰分别对应晶体生长区域106和原位退火区域108。其中，在所述方向101上具有一定长度且中心位于所述第一温度峰102附近的一定区域为晶体生长区域106，用来以碲化镉或碲锌镉多晶材料生产碲化镉或碲锌镉单晶体；在所述方向101上具有一定长度且中心位于所述第二温度峰104附近的一定区域为原位退火区域108，用来对所述晶体生长区域106中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体进行在线退火。

在一个实施例中，所述整体温度场100是由一个包括第一加热元件112和第二加热元件114的晶体生长炉105提供，其中所述第一和第二温度峰分别由所述第一加热元件112和第二加热元件114提供。所述晶体生长区域106包括一个在所述方向101上与第一加热元件112大致等长的区域，所述原位退火区域108包括一个在所述方向101上与第二加热元件114大致等长的区域。在一个具体的实施例中，所述第一加热元件112或第二加热元件114的长度在3厘米至25厘米之间。在一个具体的实施例中，在所述第一加热元件112和第二加热元件114之间还设有冷却系统或热绝缘结构116，如耐火石等。

在所述方向101上，所述第一温度峰102和第二温度峰104之间的距离小于所述坩埚202的长度，使得坩埚202从所述整体温度场100中通过时至少在某一时间可以一部分位于晶体生长区域106内而另一部分位于原位退火区域108内。在一个实施例中，在所述方向101上，所述第一温度峰102和第二温度峰104之间的距离在3厘米至20厘米之间，或更适宜的，在5厘米至10厘米之间。

本文中所用的“坩埚”是指一种可用来乘放富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料且可从所述整体温度场100中通过的容器，其可以是任何形状，可以由任何可适用于本发明中的碲化镉或碲锌镉单晶体生长和退火工艺的材料所形成。

在一个实施例中，所述坩埚202依次装有碲化镉或碲锌镉籽晶204，富碲材料208、和碲化镉或碲锌镉多晶材料210。在一个实施例中，装有所述材料的坩埚202是真空密封的。在一个实施例中，所述坩埚202为圆柱体状，坩埚内的富碲材料208在坩埚的纵向上所占的长度大致等于或小于所述坩埚的直径。所述坩埚的直径可能大致等于或小于25厘米。

将所述坩埚202从所述整体温度场100中通过，利用移动加热器法在晶体生长区域中以碲化镉或碲锌镉多晶材料生成碲化镉或碲锌镉单晶体，生成碲化镉或碲锌镉单晶体直接进入原位退火区域中进行在线退火。图2显示了坩埚202从晶体生长区域106中通过时的一个中间状态。由于晶体生长区域106内的温度峰值(所述第一温度峰值)高于碲的熔点但低于碲化镉或碲锌镉的熔点，当坩埚202从晶体生长区域106中通过时，只有富碲材料208熔化形成熔区。由于温度越高，碲化镉或碲锌镉在所述富碲材料所形成的熔区内的溶解度就越高，在将坩埚202缓慢向下移动的过程中，碲化镉或碲锌镉多晶材料210下端的温度逐渐上升(直至到达晶体生长区域106的温度峰值)，碲化镉或碲锌镉的溶解度逐渐增大，多晶材料210逐渐溶解到所述熔区，同时，所述籽晶204的上端面处的温度逐渐降低，从熔区中逐渐析出碲化镉或碲锌镉单晶体206沉积到所述籽晶204的上端面。最后，所述坩埚202完成其全长的位移之后，全部多晶材料210都溶解然后再结晶析出单晶体并沉积到了籽晶204上。

通过所述方法从所述碲溶剂208中生长出来的碲化镉或碲锌镉单晶体206内部含有大量会降低晶体性能的碲夹杂。因此，所述晶体206随着坩埚向下移动，进入原位退火区域108内进行在线退火以降低晶体206内的碲夹杂含量。

图3显示了坩埚202从原位退火区域108中通过时的一个中间状态。由于原位退火区域108内的温度峰值(所述第二温度峰值)高于所述第一温度峰值(晶体生长温度)但低于所述碲化镉或碲锌镉的熔点，当坩埚202缓慢地从原为退火区域108中通过时，所述晶体生长区域106中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体在一个高于晶体生长温度的温度下进行退火而不会发生熔化。在退火的过程中，碲夹杂及其周围的晶体重新熔化，晶格重组，随着坩埚202相对第二加热元件114向下移动，所述重新熔化的区域在晶体206内向上移动，使得碲夹杂最终从晶体206中扩散出来。退火后晶体中的碲夹杂含量大大降低，晶体成分非常接近于所需的化学计量比，晶体性能得到了改善，从而不再需要进行后续的，比如，在所述晶体生长炉之外的退火处理过程。

在图示的实施例中，所述坩埚202设置于一个由驱动装置306驱动的支撑件302上，通过所述驱动装置306来驱动支撑件302从而移动所述坩埚202使其从整体温度场中通过。此外，所述驱动装置306还可驱动坩埚202在从所述整体温度场中通过的同时进一步沿其轴线旋转。在其他实施例中，也可将坩埚固定，而将所述整体温度场连接于于驱动装置，通过驱动装置移动整体温度场来实现坩埚从该整体温度场中通过。

以下将举例来描述一个生产碲化镉单晶体的工艺。

形成一个整体温度场，其温度沿坩埚将要通过的方向从600℃以下，以10℃/厘米至100℃/厘米，或更适宜的，以20℃/厘米至60℃/厘米的速度逐渐上升至一个在600℃至1092℃之间，或更适宜的，在600℃至900℃之间(如850℃左右)的第一温度峰值；然后以10℃/厘米至100℃/厘米，或更适宜的，以20℃/厘米至60℃/厘米的速度逐渐下降；然后又以5℃/厘米至100℃/厘米，或更适宜的，以20℃/厘米至60℃/厘米的速度逐渐上升至一个在700℃至1092℃之间，或更适宜的，在850℃至1092℃之间(如1050℃左右)的第二温度峰值；然后以5℃/厘米至100℃/厘米，或更适宜的，以20℃/厘米至60℃/厘米的速度逐渐下降至600℃以下。所述第一温度峰附近的区域为晶体生长区域，所述第二温度峰附近的区域为原位退火区域。

依次将碲化镉籽晶、富碲材料和碲化镉多晶棒装到碳化石英坩埚内，然后将坩埚密封并抽真空。在上述整体温度场的温度梯度形成并保持大约10小时后，以30毫米/天到50毫米/天的速度将石英坩埚从该整体温度场中通过。在石英坩埚从所述整体温度场通过的过程中，保持该整体温度场的温度梯度不变。

当所述石英坩埚从晶体生长区域中通过时，碲化镉单晶体生长于籽晶上，当石英坩埚进一步从原位退火区域中通过时，晶体生长区域中生成的碲化镉单晶体内的碲夹杂被驱逐出来。

通过本文所描述的工艺，可在一个相对较低的温度下生成碲化镉或碲锌镉单晶体，该相对较低的温度可能远低于碲化镉或碲锌镉的熔点。对于这样在相对较低的温度下进行的晶体生长过程，没有蒸气压的问题，来自坩埚的污染问题也相对较小，安瓿爆炸的风险也比较低，且形成的晶体缺陷密度也有所减少。尤其是对于碲锌镉的生长过程，由于所述工艺是将多晶原料溶解，再在生长界面上沉积单晶体，其可以克服锌偏析的问题，并可保证所生成的晶体的宏观成分的均匀性。此外，由于许多杂质在碲溶剂中的溶解度高于其在碲化镉中的溶解度，杂质可富集于碲溶剂中，使得所述工艺具有一定的自净化的能力。

另外，通过将晶体生长和退火合并到同一个炉中，省去了晶体生长炉之外的后续退火处理过程，可大大降低能量消耗量，从而一定程度上降低生产单晶体的成本。进一步地，还可以通过优化晶体生长区域及退火区域的温度分布来优化所生成的晶体的性能，以实现不同的应用。

尽管在具体实施方式中对本发明的部分特征进行了详细的说明和描述，但在不脱离本发明精神的前提下，可以对本发明进行各种改变和替换。同样的，本领域熟练技术人员也可以根据常规实验获得本发明公开的其它改变和等同物。所有这些改变，替换和等同物都在本发明所定义的权利要求的构思和范围之内。

Claims (15)

1.一种生产碲化镉或碲锌镉单晶体的方法，其包括：

形成一个包括晶体生长区域和原位退火区域的整体温度场；

将一个装有富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料的坩埚从所述晶体生长区域中通过，在该过程中，坩埚内的富碲材料熔化形成熔区，碲化镉或碲锌镉多晶材料逐渐溶解到所述熔区中，然后冷却析出碲化镉或碲锌镉单晶体；以及

将所述坩埚从所述原位退火区域中通过，在该过程中对所述晶体生长区域中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体进行退火，以降低所述单晶体中的碲夹杂含量，

其中，所述整体温度场的温度分布曲线具有分别对应晶体生长区域和原位退火区域的第一和第二温度峰，在所述坩埚通过的方向上，所述晶体生长区域的温度逐渐上升到第一温度峰值后逐渐下降，所述原位退火区域的温度逐渐上升到第二温度峰值后逐渐下降，所述第一温度峰和第二温度峰之间的距离小于所述坩埚的长度，其中所述晶体生长区域的温度是以10℃/厘米到100℃/厘米的速度逐渐上升或下降的，所述原位退火区域的温度是以5℃/厘米到100℃/厘米的速度逐渐上升或下降的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述坩埚通过的方向上，所述晶体生长区域和原位退火区域之间的距离为3厘米到20厘米。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述坩埚通过的方向上，所述晶体生长区域和原位退火区域之间的距离为5厘米到10厘米。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过驱动装置驱动所述坩埚，使其在从所述晶体生长区域和原位退火区域通过的同时还沿其轴线旋转。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述坩埚连接于一个驱动装置，通过所述驱动装置移动坩埚来实现将坩埚从所述整体温度场中通过。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述整体温度场连接于一个驱动装置，通过所述驱动装置移动整体温度场来实现将坩埚从所述整体温度场中通过。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料包括碲化镉或碲锌镉籽晶、富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度峰值高于碲的熔点低于碲化镉或碲锌镉的熔点，所述第二温度峰值高于所述第一温度峰值低于碲化镉或碲锌镉的熔点。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述晶体生长区域的温度是以20℃/厘米到60℃/厘米的速度逐渐上升或下降的。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述原位退火区域的温度是以20℃/厘米到60℃/厘米的速度逐渐上升或下降的。

11.如权利要求1所述的方法，所述坩埚内装有碲化镉籽晶、富碲材料和碲化镉多晶材料，所述第一温度峰值在600℃到1092℃之间，所述第二温度峰值在700℃到1092℃之间。

12.如权利要求11所述的方法，所述第一温度峰值在600℃到900℃之间，所述第二温度峰值在850℃到1092℃之间。

13.一种晶体生长炉，其包括：

包括晶体生长区域和原位退火区域的整体温度场，其中，

所述晶体生长区域可让装有富碲材料和碲化镉或碲锌镉多晶材料的坩埚从中通过，以使该坩埚内的富碲材料熔化形成熔区，碲化镉或碲锌镉多晶材料逐渐溶解到所述熔区中，然后冷却析出碲化镉或碲锌镉单晶体；

所述原位退火区域可让所述从晶体生长区域通过的坩埚从中通过，以对所述晶体生长区域中生成的碲化镉或碲锌镉单晶体进行退火，降低所述单晶体中的碲夹杂含量；

所述整体温度场的温度分布曲线具有分别对应晶体生长区域和原位退火区域的第一和第二温度峰，其中，在所述坩埚通过的方向上，所述晶体生长区域的温度逐渐上升到第一温度峰值后逐渐下降，所述原位退火区域的温度逐渐上升到第二温度峰值后逐渐下降，所述第一温度峰和第二温度峰之间的距离小于所述坩埚的长度，其中所述晶体生长区域的温度是以10℃/厘米到100℃/厘米的速度逐渐上升或下降的，所述原位退火区域的温度是以5℃/厘米到100℃/厘米的速度逐渐上升或下降的。

14.如权利要求13所述的晶体生长炉，其中，所述第一温度峰值高于碲的熔点低于碲化镉或碲锌镉的熔点，所述第二温度峰值高于所述第一温度峰值低于碲化镉或碲锌镉的熔点。

15.如权利要求13所述的晶体生长炉，其中，所述晶体生长区域为在所述坩埚通过的方向上具有一定长度且中心位于所述第一温度峰附近的一定区域，所述原位退火区域为在所述坩埚通过的方向上具有一定长度且中心位于所述第二温度峰附近的一定区域。